醫院諧波監測與治理

廣東工業大學 韋 荷 廉迎戰

廣東中鈺科技有限公司 余宇航

一、引言

隨著社會的高速發展，醫院引進的先進醫療設備與高精度儀器越來越多，如：XRAY射線儀器、超聲波、氧氣傳輸系統、二維圖像彩色B超儀、全身螺旋CT掃描儀、單(雙)光子發射計算機斷層掃描機、全自動生化儀等。目前，醫院的低壓配電系統有大量的諧波源負荷，會產生大量的3、5、7、……次諧波，嚴重污染電網，危害設備，減少電氣使用壽命、增加成本。大量的單相非線性負荷會造成三相不平衡、諧波超標、中性線諧波過載等電能質量問題，因此醫院諧波的監測與治理十分必要。

二、諧波的監測

由于諧波具有固有的非線性、隨機性、分布性、非平穩性和影響因素的復雜性等，因此難以對諧波進行準確測量，為此，許多學者對諧波測量問題進行廣泛研究?，F有諧波檢測法按原理可分為：模擬濾波器、基于Fryze傳統功率定義的諧波檢測法、基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法、基于傅立葉變換的諧波檢測法、基于神經網絡的諧波檢測法、自適應諧波檢測法和基于小波分析的諧波檢測法。其中基于傅立葉變換的諧波測量是當今應用最多也是最廣泛的一種方法，使用此方法測量諧波，精度較高、功能較多、使用方便。

在實際應用中，當受到儀器和軟件的限制時，要求采樣點數不大于一個給定的極值，測量時間也要加以限定。與基本傅立葉周期的測量時間差將導致信號起點與測量窗終點并不連續。這會在對分量辨識的過程中出現錯誤，即所謂頻譜泄漏。通常的解決方法是分析之前對隨時間變化的信號作加權時間窗處理，常常使用的兩種測量窗是矩形窗和海寧窗。在實際測量過程中，選用矩形窗和海寧窗插值算法可滿足測量精度的要求。

三、諧波的治理

有三個不同的解決方案可以用來降低諧波發射等級：1)通過對自身結構的改進，減少非線性負荷產生的諧波；2)加裝諧波濾波器（無源和有源）；3）安裝隔離變壓器和能抑制諧波的變壓器。每一個方案都有其優點和缺點，通常難以確定哪個方案最好。為了避免在不適用的和無效的方案上浪費大量資金，需要對問題進行分析，選擇最有效的方案。

表1 處理前各相諧波電壓含有率

表2 處理前各相諧波電流含有率

表3 處理后各相諧波電壓含有率

表4 處理后各相諧波電流含有率

圖1 電壓波形仿真圖

圖2 電流波形仿真圖

圖3 治理前后電壓波形對比圖

圖4 治理前后電流波形對比圖

(一)減少非線性負荷的諧波發射

降低諧波幅值的技術方案將隨負荷類型而定，而這些方案涉及結構與技術的改進工作。

(二)換流器主電路中的電抗器

交流側電抗器或直流側電抗器的使用能極大降低換流器電流畸變的程度。

(三)多脈動換流器系統

在降低換流器電流畸變率，減緩諧波在電力系統中的負面影響中，增加換流器設備的脈動數是最普遍的方法。串聯或者并聯較小脈動數的換流器并確保每個橋的供電電壓之間有適當的相位移，能實現等效多脈動的運行模式。

(四)換流器輸入電流的主動整形

當今電力電子技術最重要的目標之一是，設計出對電網影響更小的交/直流換流器，。這就是所謂的功率因數校正換流器(PFC換流器)。帶有直流濾波電容器的單相整流器輸入電流的主動整形原理，它一般用于住宅和辦公場所。

(五)無源濾波器

在電壓畸變率超過或可能超過限值的地點，需要在供電母線上安裝濾波器。目前使用的幾乎都是LC元件組成的無源并聯濾波器，通過選擇LC元件，形成與供電網阻抗并聯的低阻抗支路。它們有兩個任務，即消除諧波電流和通過無功補償降低系統基波負擔。所有濾波器對于基波都呈現為容性。

無源濾波器的缺點：

1)裝有無源濾波器的電力系統是一個弱阻尼的LCR電路，為了排除諧振現象發生，要求在設計階段對頻率特性進行仔細的分析。2)濾波器的效果很大程度上取決于連接點的電網阻抗。一般來說無法等到其精確值，并且系統阻抗隨著電網結構的改變而變化。3)由于電源頻率的變化和LC參數的改變，濾波器會發生失諧的問題。失諧的負面影響可以通過合適的調諧或降低濾波器品質因數來減輕。但后者會增大有功損耗，會使電源電壓中未被濾除的諧波成分增多。4)濾波回路電流中常常含有電源電壓諧波產生的諧波電流。

(六)有源濾波器

為了有效地消除電力系統諧波，發展了綜合性能優于由電感(L)、電容(C)構成的傳統無源電力濾波器的有源電力濾波器(Active Power Fi1ter，APF)。有源電力濾波器借助適當的控制技術，能夠對各次諧波進行有效補償，且不受系統參數影響，因而成為電力系統諧波治理的主要研究方向。

有源電力濾波器可以有效地抑制與補償電力系統中的諧波，它通過監測實時諧波狀況，在線計算出所含諧波分量，產生相應的控制信號，去控制可關斷功率器件，一般是絕緣柵雙極晶體管(IGBT)構成的逆變電路，產生所需補償的電流諧波分量，并聯接入產生諧波的主回路中，達到迅速的動態跟蹤抑制諧波的效果。有源濾波器與無源濾波器相比具有不局限于某些次諧波的償，對變化的諧波能進行迅速的動態跟蹤補償，與系統電網無諧振現象等優點，近年來得到了廣泛的應用。

四、諧波治理與節能優化

以周期電流i(t)為例，它的有效值I定義為：

由此可見，周期量的有效值等于它的瞬時值的平方在一周期內平均值的平方根，所以有效值又稱為均方根值。

在電網中，如果電壓和電流都是具有非正弦波形，將電壓和電流分別分解為傅立葉級數：

將上式的右邊展開以后，可分成許多項的積分，一類含有各諧波瞬時值平方的平均值：

而另一類項含有不同次數諧波瞬時值的乘積的2倍平均值，這類項應等于零：

由此可見，非正弦周期電流的有效值，等于其各次諧波電流有效值的平方和的平方根值：

同理可得，非正弦周期電壓u(t)有效值為：

正弦波形畸變率是指畸變波形偏離正弦波形的程度。各次諧波有效值的平方根值與其基波有效值的百分比，稱為正弦波形畸變率（total harmonic distortion，THD），簡稱畸變率。電壓正弦波形的畸變率（ THDU）為：

式中，U1為額定基波電壓，有時也用實際基波電壓的有效值來表示。為了抑制和補償某次諧的數值，常以諧波含量來表示，電壓畸變波形的第n次諧波電壓含有量(THDUn)為：

電流正弦波形的畸變率（ THDI）為：第n次諧波電流的含有量（THDIn）為：

圖1、圖2是仿真實驗得到的結果。

從以上兩圖可以看出，偶次諧波對波形的影響較小，可以忽略不計，然而奇次諧波對波形的影響非常大，所以在下面對真實數據的處理只對奇次諧波進行研究。

以下是根據國際大電網會議工作組建議，在測量和計算各次諧波的有效值時，給出的是它在5s內平均的有效值。這樣可以對暫態現象和諧波加以區別。下面是XXX醫院的采集的部分數據經整理而得到。

根據上面的公式及推理，以A相為例，可以計算得到：在諧波電壓總含率THDU從21.6%減小到1.1%，減少量為20.5%；諧波電流總含有率 THDI從35.3%減小到11.3%，減少量為24%的情況下，總功率減小了65W，一天的節電量為1.56KWh。

圖3、圖4是治理前后電壓電流波形圖的對比仿真(以A相為例)：

五、結束語

從理論上分析，雖然單純的諧波含量降低能節省的電量并不是很多。但是由于大量諧波電壓電流在電網中游蕩并積累疊加導致線路損耗增加、電力設備過熱，從而增加的電力運行成本是不可忽視的。

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